黄土自重湿陷下限深度确定方法研究

井彦林，张旭彬，黄 月，林杜军，丁景园，明心凯

(1.长安大学 建筑工程学院，西安 710061; 2. 中煤西安设计工程有限责任公司，西安 710054)

黄土在世界范围内分布较广，在中国、俄罗斯、哈萨克斯坦、罗马尼亚等国均有分布.在我国，黄土主要分布在西北、华北等地.黄土的典型特征是其湿陷性，很多地区的黄土还具有自重湿陷性，且厚度较大.近年来，在黄土地区的地铁、高铁、能源及化工等建设项目较多，其湿陷性给工程建设带来了很大影响，地基处理的费用也比较高.

具有湿陷性的黄土在浸水及饱和自重压力作用下发生湿陷时存在最大湿陷深度[1]，即自重湿陷下限深度.黄土自重湿陷下限深度可通过试坑浸水试验确定，也可通过自重湿陷系数确定.自重湿陷系数的测定依据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)[2]进行.试坑浸水试验结果可靠，但试验的费用较高，周期较长，难以广泛应用到工程建设中.室内试验方法简便，但目前的室内试验与野外试坑浸水试验结果存在一定差异[3]，解决这一差异一直是黄土力学研究领域的热点问题.国内外学者们从微观结构方法、土力学方法等多个方面探索确定黄土自重湿陷下限深度的室内试验方法，文献[4]通过对比现场实测平均自重湿陷系数和室内试验测得的平均自重湿陷系数，确定了室内试验测定大厚度自重湿陷性黄土自重湿陷系数的起始门槛值，用于对室内试验的自重湿陷量计算值进行调整.文献[5]通过黄土的含水率、干密度、孔隙比等多个物理指标，运用数据挖掘的方法建立了湿陷系数的预测模型.文献[6]利用复合幂指数模型对黄土在不同状态下的压缩曲线进行线性归一化处理，得出一种确定黄土湿陷系数的新方法.这些研究成果均为通过室内试验方法确定黄土自重湿陷下限深度提供了借鉴，但实际工程仍需要学者们不断调整方法以达到更加经济便捷的解决方法.

黄土的湿陷起始压力是黄土重要的特征指标，可用于地基处理深度、地基承载力的确定以及湿陷敏感性、湿陷类型的判别等[7].如果能通过室内试验较为准确地测得湿陷起始压力，那么就可以通过湿陷起始压力与饱和自重压力的对比关系确定黄土自重湿陷下限深度.

天然黄土多处于欠固结状态，受荷载作用遇水产生湿陷，土体结构发生破坏，土颗粒重新排列，强度降低并出现显著变形[8].这些研究成果说明，黄土的固结状态与湿陷性之间也许存在某种联系.

单从定义上看，先期固结压力[9]与湿陷起始压力[2]两者似乎是完全不同的概念.但分析发现黄土在浸水饱和状态下，湿陷起始压力与先期固结压力有以下共同之处：1)均是变形过程中变形开始突变时的压力；2)均是指饱和状态下的黄土结构开始剧烈破坏的压力.

由此可以看出，浸水饱和条件下黄土的先期固结压力与湿陷起始压力均对应黄土应力—变形曲线的拐点.对于湿陷性黄土，在浸水饱和状态下，先期固结压力与湿陷起始压力数值上相等，文献[10]于1984年提出了这种观点，但未对这一问题进行深入研究.文献[11-12]也提出，黄土的先期固结压力与湿陷起始压力数值上是一致的.黄土的堆积—成岩过程较复杂，为了区分完全由于上覆土有效自重应力所产生的先期固结压力，文献[10]将浸水饱和黄土的先期固结压力称为广义的先期固结压力，文献[12]将浸水饱和黄土的先期固结压力称为似先期固结压力.

似先期固结压力与湿陷起始压力数值上相等，那么就可以按似先期固结压力的测试方法测定湿陷起始压力，我们将这种测定湿陷起始压力的方法称为似先期固结压力法.

介于以上分析，本文作者将通过固结试验测定似先期固结压力，取似先期固结压力为湿陷起始压力进行黄土的自重湿陷下限深度的判定.然后通过现场试坑浸水试验对室内试验的判定结果进行验证，以探索大厚度自重湿陷性黄土的自重湿陷下限深度计算的新方法，为黄土工程性质的进一步研究提供借鉴.

1 取土场地及试样准备

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图1 试验场地位置图Fig.1 Location of test site

研究中的试样均取自探井.为了方便计算结果的验证，取样探井选定在一黄土试坑浸水试验的试坑旁.土样物理指标及自重湿陷系数、湿陷起始压力见表1.

表1 土样基本物理参数及湿陷性指标

图2 土深3.0 m及15.0 m试样累计孔隙体积Fig.2 Cumulative pore volume of 3.0 m and 15.0 m samples

图3 土深3.0 m及15.0 m试样孔隙体积增量Fig.3 Pore volume increment of 3.0 m and 15.0 m samples

图2为累计孔隙体积与孔径的关系曲线，表示大于某孔径的所有孔隙体积总和的分布规律；图3为孔隙体积增量与孔径的关系曲线，表示当前孔径的孔隙体积与前一级孔径对应的孔隙体积增量的分布规律.由图中看出，0.5～10.1 μm的孔隙体积增量较大，累计孔隙体积分布曲线也较陡，说明孔隙主要分布在该孔径范围内.不同孔隙类型即大孔(>32 μm)；中孔(8～32 μm)；小孔(2～8 μm)及微孔(<2 μm)，孔隙分布见图4.

图4 3.0 m及15.0 m试样各类孔隙分布Fig.4 Pore distribution of 3.0 m and 15.0 m samples

2 固结试验及自重湿陷下限深度确定

2.1 固结试验

研究中对土深3.0～16.5 m的黄土进行了固结试验，固结试验均采用不扰动土样，设备为WG型三联式单杠杆固结仪.试验过程依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)[14]进行，在满足固结试验的其他相关要求下，根据土层深度及土性确定施加的第一级压力，及最后一级压力值均大于上覆土饱和自重压力(饱和自重压力值见表1).试验土样在第一级压力下变形稳定后浸水[7]，在饱和状态下待下沉稳定后施加下一级荷载，分级加压至终止压力.试验步骤详见文献[2，14]，用所测得的数据绘制饱水压缩曲线.

先期固结压力有多种计算方法，如Casagrande法[15]、Schmertmann法、Janbu法等；文献[16]对比分析了各种计算方法，认为Casagrande法的精度较高.因此本文似先期固结压力的确定采用了Casagrande法，这种方法也是我国《土工试验方法标准》规定的方法.以土深3.0 m试样为例，固结试验的e-lgP曲线如图5所示，图中点C为压缩曲线起点，点A为压缩曲线终点，点B为先期固结压力点，O点为曲率半径最小点，Pcw为似先期固结压力，取似先期固结压力为湿陷起始压力.

图5 3.0 m试样固结试验曲线Fig.5 Consolidation test curve of 3.0 m sample

表2 各深度土样固结试验结果及自重湿陷性判定结果Tab.2 Consolidation test results of soil samples under different depths and determination results of self-weight collapsibility

饱和自重压力与湿陷起始压力(似先期固结压力)的对比关系曲线见表2.从表2看出，深度小于11.0 m时，饱和自重压力大于湿陷起始压力，而深度超过11.0 m时，饱和自重压力小于湿陷起始压力，即湿陷起始压力在11.0 m深度附近发生突变.

2.2 自重湿陷下限深度的确定

表1显示，场地3.0～16.5 m深度范围内黄土均存在湿陷变形.由表2可知，12.0～16.5 m深度范围内，饱和自重压力小于似先期固结压力，即小于湿陷起始压力.根据定义，黄土的湿陷起始压力是湿陷性黄土浸水饱和开始出现湿陷时的压力,也就是说当黄土所受到的压力小于湿陷起始压力时湿陷不会发生，那么当饱和自重压力小于湿陷起始压力时，自重湿陷也就不会发生,因此12.0～16.5 m深度范围内黄土不具自重湿陷性.而3.0～11.0 m深度范围内，饱和自重压力大于湿陷起始压力，该范围内饱和自重压力超过了黄土开始出现湿陷时的压力，黄土具有自重湿陷性.不同深度土样黄土自重湿陷性判定结果见表2.表2显示，该场地自重湿陷下限深度在11.0～12.0 m之间，判定场地自重湿陷下限深度为11.5 m.

本文试坑浸水试验由中煤西安设计工程有限责任公司进行，试验场地如图6所示.

图6 试坑浸水试验场地Fig.6 Test site of water immersion test pit

试坑浸水试验结果显示，试坑下部黄土饱和带深度25.0 m，自重湿陷下限深度为10.5 m[17].湿陷起始压力按似先期固结压力取值，然后与饱和自重压力对比进行判定，黄土自重湿陷下限深度为11.5 m，与试坑浸水试验结果接近.

3 讨论

1)通过室内试验测求湿陷起始压力的传统方法是根据压力—湿陷系数曲线、取湿陷系数为0.015对应的压力为湿陷起始压力，本文称为“0.015”判定方法.该试验使用2个或2个以上的环刀试样，所以试验结果会受土的不均匀性影响，同时含水率的变化对试验结果影响也较大.另外，土的弹性变形范围随土的埋藏深度等因素的变化而变化，随着深度的增加，土的弹性变形范围整体上会增大，这些也会影响湿陷起始压力的测试结果.

在陕西渭北黄土塬某煤矿场地，对深度11 m的Q3黄土进行了湿陷性试验，试样的压力-湿陷系数关系曲线如图7(a)所示，试样的压力-孔隙比关系曲线如图7(b)所示.

(a)压力-湿陷系数关系曲线

基于“0.015”判定方法，如图7(a)中所示，可以得到湿陷起始压力为60 kPa，同时从图中可以看出,湿陷系数为0.015时,对应曲线上的点或该点附近的曲线均未发生突变.在图7(b)中，在试样天然和浸水状态下，曲线在60 kPa对应的点及附近曲线也未发生突变.通过两个图片的分析认为对该试样的湿陷起始压力判定比实际偏小.类似地，实际工程中,还有场地会出现湿陷系数为0.015时,对应曲线上的点已经超过曲线发生突变拐点的情况，所判定的湿陷起始压力就偏大.

2)湿陷起始压力是判定黄土湿陷类型、湿陷性的重要指标，但由于测试方法等多种原因，该指标未能真正应用.前苏联学者曾提出一种简易测试法[18]确定湿陷起始压力,如图8所示，图中P为压力，δ为变形量，Psh为湿陷起始压力.

图8 前苏联简易法示意图Fig.8 Diagram of simple method proposed informer Soviet Union

西安多家研究单位联合研制了饱水压缩曲线测定湿陷起始压力的方法(以下称饱水压缩曲线法).该方法与前苏联简易法类似，主要不同点是加压至10 kPa然后浸水，测试方法详见文献[19].经浸水载荷试验对前苏联简易法及饱水压缩曲线法的验证结果表明，当湿陷起始压力较小时,两种方法测试精度均较高.

依据定义，湿陷起始压力及先期固结压力均对应压缩曲线的拐点.但先期固结压力未取压缩曲线拐点对应的压力，而是比拐点对应的压力值略大(见图5中的B点)，原因是Casagrande[15]认为，土从地下深处取出后，会经历卸荷、回弹及运输过程中或多或少的扰动，室内压缩曲线实际上是一条回弹再压缩曲线[20]，对应的变形为回弹再压缩变形，曲线拐点对应的压力值会因此而降低[15,20]，所以在先期固结压力取值时，比拐点对应的压力略大.湿陷起始压力按似先期固结压力取值，湿陷起始压力也会比拐点对应的压力值略大，与自重湿陷系数判定相比,这会减小自重湿陷下限深度.但经试坑浸水试验验证，并未真正减小自重湿陷下限深度，说明并未真正增大湿陷起始压力.用Casagrande法求取似先期固结压力时，与前苏联简易法[18]、饱水压缩曲线法[19]有一共同之处，即所求压力对应的点在压缩曲线(后半段)直线段的反向延长线上，即图5中的直线AB.大量试验结果表明，不论土怎么扰动，其曲线后半部分的直线段会重合，故该直线段是原位压缩曲线的一部分[19]，所以这几种方法均利用了这一原理.就似先期固结压力法的发展历程并结合本文的试验结果可知，该方法有一定的理论基础，也有试验结果的支撑，据此所确定的自重湿陷下限深度及湿陷起始压力可信度高.

4 结论

1)提出了一种判定黄土自重湿陷下限深度的方法，若饱和自重压力大于似先期固结压力(湿陷起始压力)，则黄土具有自重湿陷性，具有自重湿陷性黄土的最大深度即自重湿陷下限深度.

2)试坑浸水试验的结果表明，用似先期固结压力确定湿陷起始压力的方法可行，基于此观点,本文提出的确定黄土自重湿陷下限深度的方法有效.

3)本文所提方法适用于具有湿陷变形的非饱和黄土.在下一步的工作中，应通过更多的试坑浸水试验对方法进行验证.